Życie projektowe jest projektowane, a nie mierzone — wnioski z rozwoju form

Moment, w którym większość inżynierów zdaje sobie sprawę, że „życie” istnieje

W wielu projektach inżynierowie po raz pierwszy spotykają się ze słowem „życie” o wiele za późno.

Nie podczas przeglądów koncepcji.
Nie podczas projektowania konstrukcyjnego.
Nie podczas wyboru materiału.
Nie przed otwarciem formy.

Pojawia się w przypadkach testowych. W specyfikacjach. W instrukcji obsługi, blisko finalizacji.

Gdzieś jest taki wiersz:

Żywotność projektu: 3 lata.
Potwierdzenie niezawodności: Testowane przez 5 lat równoważnego użytkowania.

Wtedy to do ciebie dociera – każda narysowana przez ciebie struktura, każdy wybrany materiał, każda zdefiniowana tolerancja, każde wgłębienie, które wyciąłeś w formie, powinno być połączone z tym celem życia.

Ale projekt jest gotowy. Forma jest cięta. Robi się próbki. Zaraz się rozpoczną testy.

Wymagania dotyczące trwałości są często zapisane w specyfikacjach testowych, ale nigdy nie są uwzględniane w procesie projektowania lub formie.

Wielu inżynierów myśli, że zajmują się projektowaniem produktu. W rzeczywistości zajmują się projektowaniem opartym na odniesieniach — kopiują poprzednie struktury, materiały, grubości ścian i promienie ze starszych form.

Te odniesienia mają wartość. Nie mogą jednak zastąpić inżynierii życia.

Inżynieria życia nie pyta: „Czy robiono to już wcześniej?”

Pyta: „Co spowoduje awarię tego produktu po 3 lub 5 latach rzeczywistego użytkowania? I czy mój projekt – i moja forma – już rozwiązały ten problem?”

Dlaczego życie można zaprojektować?

Produkty nie zawodzą, ponieważ „czas się kończy”.

Zawodzą, ponieważ margines wydajności jest stopniowo zużywany przez uszkodzenia, aż do przekroczenia granicy awarii.

Szef-śruba nie decyduje się na crack w swoje trzecie urodziny. Każda wibracja, upuszczenie i cykl termiczny kumulują uszkodzenia u podstawy — uszkodzenia, które rozpoczęły się od lokalizacji wlewu formy, położenia linii spawania i naprężeń szczątkowych wynikających z wypełniania wnęki.

Zatrzask nie rozluźnia się nagle po 2 latach. Długotrwałe naprężenia i ciepło stopniowo rozluźniają napięcie wstępne — napięcie wstępne ustalone na podstawie wymiarów formy, równomierności chłodzenia i naprężenia wyrzutowego.

Trwałość = początkowy margines projektowy — uszkodzenia zużywane w czasie, aż do przekroczenia progu awarii.

Trzy rzeczy determinują życie:

1. Co liczy się jako awaria — próg awarii.

2. Ile początkowo istnieje marginesu.

3. Jak szybko ten margines jest zużywany.

Są one prawie całkowicie ustalane podczas projektowania i opracowywania form.

Właśnie dlatego żywotność produktu jest projektowana, a nie mierzona.

Forma nie tworzy życia — realizuje życie, które zostało (lub nie zostało) zaprojektowane w części.

Testowanie nie tworzy życia. Testowanie skupia lata uszkodzeń w laboratorium, aby sprawdzić, czy margines projektu – i zdolność Twojej formy do ciągłego wytwarzania tego marginesu – jest wystarczający.

Jeśli podczas projektowania nigdy nie zakładano istnienia życia, testy mogą jedynie stwierdzić, że „pękło”.
Jeśli podczas projektowania zidentyfikowano i wbudowano mechanizmy awarii , testy mogą określić, „ile pozostało marginesu”.

Zdanie testów nie oznacza, że ​​życie zostało zaprojektowane

Rozważmy typowy przypadek:

Plastikowy występ śruby przechodzi statyczną MES. Prototypy dobrze się składają. Wczesne testy przechodzą pomyślnie.

Jednak po wibracjach, upadkach i cyklach termicznych u nasady pojawiają się pęknięcia.

Wejdź do produkcji: niektóre partie pękają, inne nie. Z niektórych wnęk formy wielogniazdowej powstają dobre części, inne wykazują wyższy wskaźnik awaryjności. Niektóre linie montażowe mają problemy, inne nie.

Zweryfikowałeś chwilową siłę.

Ale produkt musi stawić czoła latom skumulowanych uszkodzeń , a pleśń determinuje wiele zmiennych:

• Lokalizacja przewężki wpływa na orientację wywołaną przepływem i naprężenia szczątkowe.

• Pozycja linii spoiny powoduje miejscowe osłabienie.

• Równomierność chłodzenia wpływa na skurcz i naprężenia wewnętrzne.

• Umieszczenie kołka wypychacza może pozostawić koncentrację naprężeń.

• Równowaga wlewu określa spójność między wgłębieniami.

• Jakość odpowietrzania wpływa na ciśnienie napełniania i degradację materiału.

Forma nie tylko kształtuje część. Forma kształtuje żywotność części.

Wytrzymałość statyczna zadaje pytanie: „Czy w tym momencie pęknie?”
Inżynieria życia pyta: „Jak duży margines pozostaje po 3 latach, przy rzeczywistych obciążeniach i zmianach produkcyjnych – w tym różnic między wgłębieniami – jaki margines pozostaje?”

To nie są te same pytania.

Pozytywne wyniki testów potwierdzają jedynie, że badane próbki przeszły pozytywnie w warunkach testowych. To nie dowodzi, że rozumiesz życie. Nie dowodzi to, że każde wgłębienie w formie wytworzy części, które przetrwają.

Jeśli nigdy nie zadałeś sobie pytania : „Jaki mechanizm awarii ma na celu ten test i jaki wpływ na niego ma moja pleśń?” – to zdanie egzaminu oznacza po prostu „problemy nie zostały jeszcze ujawnione”.

Najpierw przetłumacz „Życie” na język inżynieryjny

W wielu projektach nie brakuje wymagań życiowych — brakuje im wymagań przydatnych dla inżynierów.

„Żywotność produktu: 3 lata” nie jest wkładem projektowym. Nie jest to również wkład w projekt formy.

Inżynierowie nie potrzebują „lat” — potrzebują „tego, co wydarzy się przez te lata”.

Nie pisz po prostu: „Żywotność produktu: 3 lata”.

Wyjaśniać:

• Jakie środowisko? Temperatura? Wilgotność? Chemikalia?

• Ile cykli dziennie?

• Jakie ładunki?

• Co uważa się za porażkę — złamanie? Rozwolnienie? Grzechotka? Czujesz degradację?

• Jaka strata retencji jest akceptowalna?

• Czy warunki testowe odpowiadają rzeczywistemu użytkowaniu?

A co do formy:

• Jakie położenie przewężki minimalizuje naprężenia wywołane przepływem w krytycznych obszarach?

• Jaki projekt chłodzenia zapewnia równomierny skurcz i minimalne naprężenia szczątkowe?

• Jaka strategia wyrzucania pozwala uniknąć naprężeń powstałych w wyniku formowania we wrażliwych elementach?

• Jaki projekt odpowietrzania zapobiega powstawaniu śladów przypaleń lub degradacji, które mogłyby stać się miejscami inicjacji pęknięć?

Przykład: „Żywotność zatrzaskowa: 3 lata” jest niewystarczająca.

Lepiej: „W temperaturach pokojowych i podwyższonych, przy ~20 cyklach dziennie (w sumie ~20 000) połączenie zatrzaskowe musi utrzymywać wystarczającą retencję — bez pęknięć, bez poluzowań, bez grzechotania, bez zauważalnej degradacji w dotyku. Forma musi zamykać stopkę zatrzasku, aby zminimalizować orientację przepływu prostopadłą do kierunku obciążenia i wysuwać się bez uszkodzenia geometrii zatrzasku.”.

Kiedy życie jest tłumaczone w ten sposób i połączone z formą , inżynierowie wiedzą, co zaprojektować.

Trzy filary: próg, margines, współczynnik obrażeń

1. Zdefiniuj próg awarii

Co właściwie oznacza „koniec życia”?

• Złamanie? Rozwolnienie? Grzechotka?

• Siła trzymania poniżej X?

• Luz przekraczający Y?

• Spadek momentu obrotowego poza Z?

Bez progu awarii nie można zaprojektować życia, a formy nie można zaprojektować tak, aby stale w nie uderzała.

2. Zaprojektuj margines początkowy

Nowe produkty muszą działać powyżej progu awaryjności. Luka to margines początkowy.

• Margines siły.

• Margines zatrzymania.

• Margines kompresji uszczelki.

• Margines wytrzymałości.

Forma określa, jak konsekwentnie zapewniany jest ten margines:

• Różnice między wgłębieniami zmniejszają margines w przypadku niektórych części.

• Różnice w uszczelnieniu bramy wpływają na upakowanie i gęstość.

• Zmiany chłodzenia wpływają na krystaliczność i właściwości.

• Naprężenie wyrzutowe może spowodować uszkodzenie części jeszcze przed ich użyciem.

Za mały margines → niewystarczająca żywotność.
Zbyt duża marża → marnotrawstwo kosztów, trudności w montażu, ślady zlewu.

Forma musi być zaprojektowana tak, aby zapewnić margines – każdy strzał, każde wgłębienie.

3. Kontroluj współczynnik obrażeń

W użyciu marża jest stale zużywana:

• Zmęczenie zużywa siły.

• Creep zużywa wstępne obciążenie.

• Zużycie zużywa luz.

• Starzenie się zużywa wytrzymałość.

• Zmienność produkcji pochłania marżę z góry.

Pleśń wpływa na prawie wszystkie z nich:

• Lokalizacja przewężki → orientacja przepływu → anizotropowa odporność zmęczeniowa.

• Szybkość chłodzenia → krystaliczność → odporność na pełzanie.

• Projekt wyrzutu → naprężenia powierzchniowe → podatność na ESC.

• Odpowietrzanie → degradacja materiału → długotrwałe zachowanie właściwości.

Promień może zmienić życie — a forma musi to zapewnić

Najtańsza inwestycja na życie to często promień.

Promienie zmniejszają koncentrację naprężeń — co zmniejsza współczynnik uszkodzeń.

Ostry narożnik zwiększa lokalne naprężenia. Wyższe naprężenia ułatwiają inicjację pęknięć. Pęknięcia szybko pochłaniają życie.

Ale promień jest skuteczny tylko wtedy, gdy forma może go wytworzyć:

• Jeśli nie określono inaczej, obróbka EDM może tworzyć ostre narożniki wewnętrzne.

• Polerowanie formy może zaokrąglić krytyczne promienie, jeśli nie jest kontrolowane.

• Jeśli lokalizacja przewężki nie zostanie zoptymalizowana, linie spoiny mogą wylądować dokładnie w promieniu.

• Jeśli chłodzenie nie jest wystarczające, za grubymi promieniami mogą tworzyć się zapadnięte ślady .

Przy tym samym materiale i grubości ścianek, różnych promieniach korzenia – i różnych możliwościach form do ich wytwarzania – dają różne wyniki życiowe.

Promienie spowalniają lokalną akumulację uszkodzeń – ale tylko wtedy, gdy pleśń dostarcza je konsekwentnie.

Dwie długotrwałe awarie tworzyw sztucznych — pleśń wpływa na oba

Relaksacja pełzania/stresu

Tworzywa sztuczne są lepkosprężyste. Przy długotrwałym obciążeniu naprężenie zanika z czasem.

Obcisłe zapinanie na zatrzask dzisiaj może być luźne za rok.

Czynniki pleśni wpływające na pełzanie:

• Szybkość chłodzenia wpływa na krystaliczność — wolniejsze chłodzenie zapewnia wyższą krystaliczność i lepszą odporność na pełzanie.

• Lokalizacja bramki wpływa na orientację molekularną — orientacja prostopadła do kierunku obciążenia zmniejsza odporność na pełzanie.

• Ciśnienie upakowania wpływa na gęstość — wyższa gęstość poprawia wydajność pełzania.

• Naprężenie wyrzutowe może spowodować wstępne uszkodzenie, które przyspiesza pełzanie.

Pytania projektowe:

• Jakie są dane dotyczące pełzania/relaksacji dla tego materiału?

• Czy kontrolowane jest obciążenie korzeni?

• Czy istnieje margines długoterminowego przechowywania?

• Czy temperatura lub powtarzające się cykle przyspieszają rozkład?

• Czy forma zapewnia spójne chłodzenie, upakowanie i wyrzucanie we wszystkich gniazdach?

Dobry zatrzask nie jest dzisiaj tym, który najlepiej przylega do ciała. To ten, który nadal ma wystarczającą retencję w docelowej żywotności — a forma musi ją stale wytwarzać.

Pękanie naprężeniowe środowiska (ESC)

ESC występuje, gdy naprężenie rozciągające + ekspozycja chemiczna łączą się.

Naprężenia mogą wynikać z interferencji montażowej, momentu obrotowego śruby, wciśnięcia wkładki lub naprężenia szczątkowego wywołanego formowaniem.

Czynniki pleśni wpływające na ESC:

• Położenie przewężki określa rozkład naprężeń szczątkowych wywołany przepływem.

• Równomierność chłodzenia wpływa na skurcz różnicowy i naprężenia wewnętrzne.

• Konstrukcja wyrzutowa może wprowadzić naprężenia powierzchniowe we wrażliwych miejscach.

• Wentylacja wpływa na degradację materiału, co może zmniejszyć opór ESC.

• Równowaga prowadnicy zapewnia stałe naprężenie szczątkowe we wszystkich ubytkach.

Działania projektowe:

• Zmniejsz stres montażowy.

• Unikaj ostrych narożników na wkładkach i nasady.

• Dodaj funkcje odprężające.

• Zoptymalizuj formowanie, aby zmniejszyć naprężenia szczątkowe — poprzez rozmieszczenie przewężek, konstrukcję chłodzenia i strategię wyrzucania.

• Sprawdź zgodność materiału z potencjalnymi substancjami chemicznymi.

Wiele części z tworzyw sztucznych nie psuje się z powodu niewystarczającej wytrzymałości — psują się, ponieważ zawsze występują naprężenia (często spowodowane formowaniem), a chemikalia przyspieszają pękanie.

Przypadki testowe powinny wcześnie zostać wprowadzone do projektowania i opracowywania form

Wielu inżynierów myśli: „Ja projektuję, ty testujesz. Jeśli to się nie powiedzie, ja to zmieniam”.

Dla inżynierii życia jest już za późno.

Kiedy testy kończą się niepowodzeniem, przygotowywane są materiały, wycinane są formy i blokowane są harmonogramy.

Przypadki testowe powinny stanowić mapę ryzyka przed rozpoczęciem projektowania i przed wycięciem stali na formy.

Każdy test żywotności wiąże się z rzeczywistym ryzykiem i konsekwencjami projektu formy:

Jeśli zrozumiesz je przed zaprojektowaniem formy , testy staną się nawigacją. .
Jeśli zobaczysz je dopiero po wycięciu formy , testy staną się werdyktami.

Zmienność produkcji determinuje rozkład życia — głównym źródłem jest pleśń

Typowy wzór:

Projekt wygląda dobrze. Próbki przechodzą. Prace nad produkcją pilotażową.

Produkcja masowa — pojawiają się problemy.

Żywotność produktu to nie pojedyncza liczba. To dystrybucja.

Pleśń jest największym źródłem dystrybucji:

• Różnice między wgłębieniami.

• Zmiana cyklu na cykl.

• Rozruch a zmienność w stanie ustalonym.

• Z biegiem czasu zanieczyszczanie przewodu chłodzącego.

• Zużycie bramy w okresie produkcyjnym.

• Zużycie sworznia wypychacza wpływające na naprężenia powierzchniowe.

Niektóre próbki mają większy margines, inne mniejszy. Niektóre partie materiałów są twardsze, inne kruche. W niektórych ubytkach stale powstają słabsze części.

Problemy pojawiają się w przypadku najgorszej kombinacji , a nie średniej.

Cztery działania:

1. Analiza stosu tolerancji — sprawdź montaż w najgorszym przypadku, a nie nominalny.

2. Okna procesowe, a nie tylko optymalne — zobacz, jak wydajność zmienia się w zależności od temperatury formy, prędkości wtrysku i ciśnienia pakowania.

3. Kontroluj krytyczne cechy — ustalaj wymagania dotyczące wydajności dla każdej wnęki, a nie tylko ogólnie.

4. Próbki graniczne — badaj części ze wszystkich wnęk, a nie tylko jednej „reprezentatywnej” wnęki.

5. Plan konserwacji formy — zużycie bramy, czyszczenie przewodu chłodzącego i wymiana sworznia wypychacza wpływają na trwałość użytkową.

Forma zaprojektowana z myślą o życiu to taka, w której każde wgłębienie konsekwentnie zapewnia margines projektu.

Podstawowym założeniem redukcji kosztów jest docelowy czas życia + współczynnik bezpieczeństwa — ale forma nadal musi spełniać swoje zadania

Niebezpieczeństwo redukcji kosztów: wiele czynników wpływających na życie jest niewidocznych.

Promienie wewnętrzne. Powłoki. Materiały odporne na pełzanie. Blokowanie śrubowe. Margines uszczelnienia. Opór ESC.

Użytkownicy ich nie widzą. Ale obsługa posprzedażna tak.

Redukcja kosztów nie może spaść poniżej docelowej żywotności plus współczynnik bezpieczeństwa, ale może zoptymalizować nadmierną marżę.

Margines życia składa się z trzech warstw:

1. Podstawowy margines docelowej żywotności — nie można ciąć.

2. Margines bezpieczeństwa dla zmienności i niepewności — nie można łatwo ciąć. Obejmuje to zmienność między wgłębieniami.

3. Nadmierna marża wynikająca z historycznego przeprojektowania – tam, gdzie liczy się redukcja kosztów.

Wiele niepowodzeń zdarza się, gdy warstwa 2 jest mylona z warstwą 3 i zostaje odcięta.

Dojrzała redukcja kosztów po stronie formy wymaga:

• Czy możemy uruchomić formę rodzinną zamiast oddzielnych narzędzi?

• Czy możemy zastosować gorące kanały , aby zmniejszyć ilość złomu i poprawić konsystencję?

• Czy możemy wykorzystać aluminium do prototypowania przed cięciem stali?

• Czy możemy skrócić czas cyklu bez pogarszania równomierności chłodzenia?

• Czy możemy używać standardowych komponentów zamiast niestandardowych?

Ale każda redukcja kosztów formy musi wymagać:

• Czy ma to wpływ na konsystencję między ubytkami?

• Czy ma to wpływ na równomierność chłodzenia?

• Czy ma to wpływ na jakość bramy lub naprężenie wyrzutowe?

• Czy wpływa to na zdolność formy do zapewnienia marginesu projektowego w całym okresie jej produkcji?

Inżynieria życia jest warunkiem wstępnym inteligentnej redukcji kosztów – zarówno w projektowaniu części, jak i projektowaniu form.

Zacznij od tych pytań – w tym dotyczących formy

Podczas następnej oceny projektu zapytaj:

1. Czy cel życiowy został jasno przetłumaczony?
Jakie środowisko? Jakie cykle? Jakie ładunki? Co liczy się jako porażka?

2. Czy zdefiniowano progi awaryjności?
Utrzymanie poniżej X? Prześwit nad Y? Spadek momentu obrotowego poza Z?

3. Czy zidentyfikowano dominujące mechanizmy awarii i powiązano je z konstrukcją formy?
Zmęczenie? Skradać się? Nosić? ESC? Uszkodzenie montażu?

4. Czy działania projektowe odpowiadają mechanizmom awarii i czy forma może je zapewnić?
Promienie zmęczeniowe – czy forma może je wyprodukować bez zapadnięć?
Materiał na pełzanie — czy forma może chłodzić równomiernie, aby zmaksymalizować krystaliczność?
Odprężanie dla ESC — czy brama formy może zminimalizować naprężenia szczątkowe?

5. Czy do ponownego zaprojektowania formy wykorzystano przypadki testowe?
Jaki scenariusz symuluje każdy test? Gdzie należy umieścić przewężkę, linię spawania i kołki wypychacza, aby zminimalizować ryzyko niepowodzenia testu?

6. Czy wzięto pod uwagę zróżnicowanie produkcji – szczególnie w przypadku poszczególnych form?
Stosy tolerancji? Okna procesowe? Próbki graniczne ze wszystkich wgłębień?

7. Czy redukcja kosztów formy przekroczyła próg trwałości?
Czy chodzi o redukcję marnotrawstwa, czy o zmniejszenie możliwości dostarczania marży?

Dojrzali inżynierowie projektują sposób starzenia się produktów — zaczynając od formy

Młodsi inżynierowie pytają: „Czy da się to złożyć? Czy jest wystarczająco mocne?”

Inżynierowie średniego szczebla pytają: „Czy występuje koncentracja naprężeń? Czy przejdzie testy?”

Dojrzali inżynierowie pytają:

• Gdzie to się nie powiedzie po 3 latach?

• Czy nasze testy to obejmują?

• W jaki sposób pleśń wpływa na mechanizm awarii?

• Gdzie powinienem umieścić bramę, aby zminimalizować naprężenia w tym miejscu?

• Jak zaprojektować chłodzenie, aby zmniejszyć naprężenia własne?

• Gdzie powinny znaleźć się kołki wypychacza, aby uniknąć naprężeń we wrażliwych elementach?

• Czy zmienność produkcji — szczególnie zmienność między wgłębieniami — spowoduje wczesną awarię?

• Jeśli musi się starzeć — jak chcę, żeby się starzeło i w jaki sposób pleśń kontroluje to tempo starzenia?

Produkty nie zaczynają żyć po uformowaniu.

Życie zaczyna się w momencie zdefiniowania wymagań. Kiedy materiały zostaną wybrane. Kiedy rysowana jest pierwsza struktura. Kiedy zostanie podjęta decyzja o lokalizacji bramy formy. Po ułożeniu przewodów chłodzących. Po umieszczeniu kołków wypychaczy. W każdym promieniu, w każdym żebrze, w każdej tolerancji, w każdym zagłębieniu – życie już się rozpoczęło.

Życie to nie liczba na końcu raportu z testu.

Życie to systematyczne układanie – podczas projektowania i opracowywania formy – progów awaryjności, początkowych marginesów, współczynników uszkodzeń, zmienności produkcji i czynników bezpieczeństwa – a wszystko to realizowane za pomocą formy, która zapewnia je konsekwentnie, strzał po strzale, wnęka po wnęce.